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电源测量和分析 入门手册 2 入门手册 目录引言 2电源设计问题直指测量需求 2开关式电源基础知识 2有源元件测量 开关单元 3开关式设备中的功率损耗原理 3关闭损耗 3启动损耗 4功率损耗 4安全工作区 5动态开点电阻 6进行有源元件测量 6选择适当的测量解决方案 6示波器的性能指标 6消除探头偏置和噪声 9自动消除偏置 9手动去掉偏置 9 无源元件测量 磁性元件 9电感基础知识 10使用示波器测量电感 10磁性功率损耗基础知识 10磁芯损耗 10铜线损耗 11使用示波器测量磁性功率损耗 11磁性属性基础知识 12B H曲线 12磁性属性测量 13使用示波器测量磁性属性 14电源线测量 15电源质量测量基础知识 15使用示波器测量电源质量 15总结 16 3 电源测量和分析 引言电源是把电能从一台设备转换到另一台设备的元件 子系统或系统 其通常从交流 AC 电源转换成直流 DC 电源 从个人电脑到军事设备和工用机械 电子设备的正常运转离不开DC电源的性能和可靠性 电源分成许多不同的类型和规格 包括传统模拟式电源电源到高效的开关式电源 所有这些电源都面临着复杂的动态工作环境 设备负载和需求在不同时间之间可能会大幅度变化 即使是商用开关电源 也必须能够承受突然出现的远远超过平均工作电流的峰值电流 设计电源或设计采用电源的系统的工程师必需了解电源在静止条件到最坏条件下的行为 从历史上看 检定电源行为意味着使用数字万用表进行静态电流和电压测量 然后在计算器或PC上麻烦地进行计算 今天 大多数工程师正转向示波器 作为首选的电源测量平台 现代示波器可以配备集成电源测量和分析软件 简化设置 更轻松地进行测量 用户可以定制关键参数 自动进行计算 在几秒钟内查看结构 而不只是原始数字 本入门手册将重点介绍怎样使用示波器和专用软件测量开关式电源设计 电源设计问题直指测量需求在理想状态下 每个电源的的行为方式都应与设计使用的数学模型类似 但在实际环境中 元件是不理想的 负载会变化 线路电源可能会失真 环境变化会改变性能 此外 性能和成本需求变化也进一步提高了电源设计的复杂性 考虑一下下面的问题 电源可以保持高于额定输出容量多少瓦 保持多长时间 电源散发多少热量 在过热时会出现什么情况 要求多少冷却气流 在负载电流大幅度提高时会发生什么情况 设备能够保持额定输出电压 负载稳压 电源对输出完全短路会作出什么样的反应 在电源输入电压变化时会发生什么情况 线路稳压 设计人员需要开发出占用空间更少 能耗效率更高 减少散热量 降低制造成本 满足更严格的EMI EMC标准的电源 只有严格的测量体系 才能引导工程师实现上述目标 开关式电源基础知识在大多数现代系统中 流行的DC电源结构是开关式电源 SMPS 这种电源因能够高效处理负载变化而闻名 典型SMPS的电源信号路径包括无源元件 有源元件和磁性元件 SMPS最大限度地减少了有损耗的元件的使用量 如电阻器和线性模式晶体管 重点采用 在理想条件下 没有损耗的元件 如开关式晶体管 电容器和磁性元件 本入门手册介绍与电源路径有关的测量 包括与输出有关的内部 4 漏极 栅极 源极时钟无源元件有源元件磁性元件图1 开关式电源简化的示意图 SMPS设备还包括一个控制段 其中包含脉宽调制稳定器 脉冲速率调制稳定器和反馈环路等单元1 控制段可以有自己的电源 图1是简化的SMPS示意图 其中显示了包括有源单元 无源单元和磁性单元的电源转换段 SMPS技术依托电源半导体开关设备 如金属氧化物场效应晶体管 MOSFET 和绝缘门双极晶体管 IGBT 这些设备提供了快速开关时间 能够耐受没有规律的电压峰值 同样重要的是 其在On状态或Off状态下消耗的功率非常小 实现了很高的效率 而生成的热量很低 开关设备在极大程度上决定着SMPS的整体性能 开关设备的关键测量项目包括开关损耗 平均功率损耗 安全工作区等等 1单元的测试 控制段测量是比较传统的基于波形和基于逻辑的观测项目 本文中没有涉及这些测量 入门手册有源元件测量 开关单元开关式设备中的功率损耗原理晶体管开关电路在转换过程中消耗的能量通常会达到最大 因为电路寄生信号会阻止设备立即开关 关闭损耗 是指开关设备从ON转换成OFF时损耗的能量 启动损耗 则是指开关设备从OFF转换成ON时损耗的能量 关闭损耗图2说明了怎样计算关闭损耗 在t1后 开关电流下降 二极管电流上升 时间 t2 t1 取决于驱动器对MOSFET的栅极到漏极电容Cgd的充电速度 可以使用下面的公式估算转换过程中损耗的能量 其中 Eoff是转换过程中开关损耗的平均能量 V8是栅极电压 L是流经电感器的电流 2是转换结束时间 0是转换开始时间 这个公式假设流经Cds和Cgd的电压 从漏极到源极的电容 呈线性上升 Cds和Cgd是寄生电容 在实际环境器件中 电容Cds和Cgd呈高度非线性化 一般会随着漏极到源极电压变化 这在一定程度上会影响上面介绍的理论计算 在IGBT中 由于尾电流现象 电流的下降时间会比较高 这些差异使得工程师必须捕获电压不一致的实际曲线 带有专用电源测量软件的示波器可以大大简化这些测量 5 电源测量和分析图2 关闭损耗的计算 启动损耗 图3是带有箝位电感负载和二极管恢复电荷的MOSFET的启动损耗 在使用箝位电感负载启动MOSFET时 直到存储的电荷恢复时才能积聚二极管电压 因此 二极管会在负方向上持续传导电流 直到阻塞电压 这会导致开关发生巨大的损耗 反向恢复电流依赖于二极管路径中的外部电路 二极管中的电荷取决于正向电流及二极管关闭转换过程中电流下降的di dt 可以使用下面的公式估算转换过程中损耗的能量 2 摘自美国科罗拉多大学Rober A Erickson所作的 电源电子基 础知识 有所简化 其中 Eon 是转换过程中开关损耗的平均能量 Va t 是瞬时栅极电压 ia t 是流经开关的瞬时电流 t1是转换结束时间 t0是转换开始时间 功率损耗总损耗是开关中的平均功率损耗 包括开关损耗和传导损耗 总损耗的计算公式如下 其中 PLOSS是开关中的平均功率损耗 Vswitch是流经开关的瞬时电压 Iswitch是流经开关的瞬时电流 Ts是开关周期 6 入门手册安全工作区开关设备安全工作区 SOA 指标汇制了电压对电流图 以检定设备的工作区域 其通常用来创建电源预计将遇到的各种工作条件的SOA曲线 开关设备制造商的产品技术资料会概括对开关设备的某些限制 其目标是保证开关设备将容忍电源在最终用户环境中必须处理的工作边界 SOA测试变量可能包括各种负荷方案 工作温度变化 高和低线路输入电压等等 图4是SOA曲线实例 SOA测试通常使用下面的公式计算功率 其中 Pn 是瞬时功率 Vn是电压 In是电流 n是样点数 计算平均功率的公式如下 N是开关周期中的样点数 图4 这个实例摘自泰克DPOPWR 说明了SMPS的SOA曲线 可以把这个曲线与开关设备制造商公布的数据进行对比 动态开点电阻可以使用元件产品技术资料中给出的RDSON值 估算开关设备在 on 状态下的电阻 但是 实际电阻 进而是开关传导损耗 并不是恒定不变的 可能会随着开关电压或电流变化而明显变化 di dt和dv dt di dt指标表示电流在开关过程中的变化速率 dv dt指标则表示电压在开关过程中的变化速率 其中 进行有源元件测量对习惯了使用示波器进行高带宽测量的工程师来说 电源测量由于频率相对较低 似乎会比较简单 但实际上 电源测量带来了高速电路设计人员从未面对的一系列挑战 流经开关设备的电压可能会非常大 通常是 浮动的 即不参考地电平 信号的脉宽 周期 频率和占空比会不一致 必须真实地捕获和分析波形的不理想特点 7 电源测量和分析 选择适当的测量解决方案在测量开关电源时 必需选择能够胜任工作的工具 为在测试过程中启动和关闭SMPS 可能要求来自信号源的脉冲激励信号 为准确地仿真正常工作条件下的门驱动信号 激励信号必须有可以调节的占空比 边沿跳变时间和频率 为驱动IGBT设备 激励源还必须能够生成要求的电压 一般在12 V 15 V 当然 示波器必须有基本带宽和采样率 处理SMPS内部的开关频率 此外 示波器必须有深存储器 提供在以高定时分辨率进行低频长采集时所需的记录长度 电源测量还要求至少两条通道 一条用于电压测量 一条用于电流测量 把设备连接到示波器的探头也同样重要 测试中要求同时使用多种探头 如单端探头 差分探头和电流探头 应用软件可以提高电源测量的简便性和可靠性 进一步完善了这一系列工具 示波器的性能指标选择示波器时考虑的主要性能指标有上升时间 采样率 记录长度及提供的电源测量分析软件 上升时间尽管开关信号速度相对较低 但信号的上升时间可能会相当快 为准确地进行测量 示波器的上升时间至少要快五倍 才能捕获快速跳变的关键细节 例如 如果开关信号的上升时间为5 ns 那么示波器的上升时间至少应该是1 ns 才能准确地进行测量 为提供这么快的上升时间 示波器的带宽一般至少要达到350 MHz 采样率采样率用每秒样点数 S s 表示 指数字示波器采集信号样点的频率 采样率越快 波形分辨率越高 波形越详细 关键信息或事件丢失的可能性越低 为检定SMPS开关过程中一般出现的振铃 示波器的采样率必须足够快 以便捕获开关信号边沿上的多个样点 记录长度示波器捕获测量期间事件的能力取决于使用的采样率及存储采集的信号样点的存储器的深度 记录长度 存储器的填充速度与采样率直接成正比 在采样率设置得足够高 能够以高分辨率详细地信号时 存储器会迅速填充 对许多SMPS电源测量 必需捕获1 4周期或1 2周期 90度或180度 的工频信号 有些测量甚至要求捕获整个周期 60 Hz工频的1 2周期的时间是8 ms多 在采样率为1 GS s时 需要8M点的记录长度 才能捕获这么长的时间 电源测量和分析软件应用软件可以大大提高示波器上电源测量和分析的简便程度 其自动执行常用测量 提供详细的测试报告 简化了某些复杂的测量情况 如测量高低压信号 进行开关损耗和功率损耗测量 8 入门手册磁性元件 TP1 TP2 栅极 漏极 700V 源极时钟图5 MOSFET开关设备 显示了测量点 100mV图6 开关设备的典型信号 在一个采集中测量100V和100mV为测量开关设备的开关损耗和平均功率损耗 示波器必须先分别确定OFF期间和ON期间流经开关设备的电压 在AC DC转换器中 流经开关设备的电压拥有非常高的 动态范围 在ON状态期间流经开关设备的电压取决于开关设备的类型 在图5所示的MOSFET中 ON电压是信道电阻和电流之积 在双极结晶体管 BJT 和IGBT设备中 电压主要基于饱和电压下跌量 VCEsat OFF状态电压取决于开关式转换器的工作输入电压和拓扑 为计算设备设计的典型DC电源通常会在80 Vrms 264 Vrms的通用市政电压上工作 在最大输入电压下 流经开关设备的OFF状态电压 在TP1和TP2之间 可以高达750 V 在ON状态下 流经相同端子的电压可以在几mV到大约1 V之间 图6说明了开关设备上的典型信号特点 必须先测量这些OFF电压和ON电压 才能准确地测量开关设备上的功率 但是 普通8位示波器则很难准确采集 在同一采集周期内 ON期间发生的mV级信号及OFF期间发生的高压信号 图7 DPOPWR输入页面允许用户输入RDSON和VCEsat的产品技术资料值 为捕获这个信号 示波器的垂直范围设置为每格100 V 在这个设置下 示波器将接受高达1000 V的电压 因此可以采集700 V信号 而不会使示波器超载 使用这种设置的问题是 其可以解析的最小信号幅度是1000 256或大约4 V 借助现代示波器所带的电源测量应用软件 用户可以把设备产品技术资料中的RDSON或VCEsat值输入测量菜单 如图7所示 或者在测得的电压位于示波器灵敏度范围内时 应用软件可以使用采集的数据计算数值 而不用手动输入数值 9 电源测量和分析图8 传播延迟对电源测量的影响 消除电压探头与电流探头之间的偏移数字示波器进行电源测量时 必需测量流经MOSFET开关设备漏极到源极的电压和电流或流经IGBT的集电极到发射器电压 这一任务要求使用两只不同的探头 一只高压差分探头和一只电流探头 后一种探头通常是非插入式霍尔效应型探头 每种探头都有自己的特性传播延迟 这两种延迟之差称为偏移 会导致定时测量不准确及功率波形失真 必需了解探头的传播延迟对最大峰值功率和区域测量的影响 毕竟 功率是电压和电流之积 如果相乘的两个变量并没有在时间完美对准 那么结果会不正确 在探头没有正确校正偏移时 会损害测量精度 如开关损耗 10 入门手册 图9 电压信号与电流信号之间9 4 ns的偏移 图10 在这一偏移下 功率波形的峰值幅度是4 958 W 图9到图12是演示了探头偏移影响的实际示波器屏幕图 图9揭示了电压探头和电流探头之间的偏移 图10显示了在没有校正两只探头偏移前获得的测量结果 4 958 W 图11 在偏移校正过程后电压信号与电流信号对准 图12 在偏移校正后峰值幅度上升到5 239W 高出5 6 图11显示了校正探头偏移的影响 两条参考轨迹重叠 表明延迟已经均衡 图12中的测量结果说明了正确校正偏移的重要性 这一实例证明 偏移引入了5 6 的测量误差 准确校正偏移减少了峰峰值功率损耗测量的误差 11 电源测量和分析某些电源测量软件将自动校正选定探头组合的偏移 软件控制着示波器 使用实时电流信号和电压信号调节电压通道和电流通道之间的延迟 消除电压探头和电流探头之间的传播延迟差异 另外还有一种静态偏移校正功能 其基于某些电压探头和电 流探头拥有恒定的可重复的传播延迟 静态偏移校正功能根据选定探头的嵌入传播时间表 自动调节选定电压通道和电流通道之间的延迟 这种技术提供了快捷简便的方式 可以使偏移校正达到最小 消除探头偏置和噪声差分探头和电流探头可能会有较小的偏置 这会影响精度 在继续测量前必须消除这个偏置 某些探头内置自动去掉偏置的方法 其它探头则要求手动去掉偏置 自动消除偏置配有泰克TekVPI 探头接口的探头与示波器相结合 可以去掉信号路径中的任何DC偏置误差 按TekVPI探头上的Menu按钮 会在示波器上调出一个Probe Controls框 显 图13 TDSPWR3软件菜单上的信号调节选项 这个选项把开关设备 Off 期间的电流设为零 示AutoZero功能 选择AutoZero选项将自动清零测量系统中存在的任何DC偏置误差 TekVPI电流探头在探头机身上还有一个Degauss AutoZero按钮 压下AutoZero按钮将去掉测量系统中存在的任何DC偏置误差 手动去掉偏置大多数差分探头内置DC偏置整理控制功能 可以相对简单地去掉偏置 类似的 在进行测量前 必需先调节电流探头 注意 差分探头和电流探头是有源设备 总会存在一定的低电平噪声 即使在静止状态下 这种噪声会影响依赖电压波形和电流波形数据的测量项目 某些电源测量软件包括信号调节功能 图13 可以使固有探头噪声的影响达到最小 12 入门手册 无源元件测量 磁性元件无源元件是指不放大信号或开关信号的元件 电源采用全系列无源元件 如电阻器和电容器 但从测量角度看 主要重点要放在磁性元件 磁性器件 上 特别是电感器和变压器 电感器和变压器都由外面缠着几圈铜线的铁芯组